新華社成都９月２３日電題：在地底尋覓“宇宙幽靈”——走近全球最深的暗物質探測實驗室

　　新華社記者李華梁

　　什么是暗物質？

　　普通人對它的直觀認識多來自科幻作品。在電影《變形金剛》中，機器人“禁閉”所駕駛的飛船就是由它驅動進行星際航行的。

　　在剛剛斬獲世界科幻文壇最高獎的小說《三體》里，它是太陽系遭受高級外星文明攻擊后的隱形殘骸。

　　這些奇幻創(chuàng)作的科學依據就來自人類久尋不得的“暗物質”。全球最深的暗物質探測實驗室——中國錦屏地下實驗室，地處四川南部地底深處，在那里，一批中國科學家正尋找目前還是理論存在的暗物質，希望覓得被科學界稱為“宇宙幽靈”的蛛絲馬跡。

　　全國科普日到來之際，新華社記者來到錦屏地下實驗室，帶你了解中國的暗物質研究。

　　科學家：暗物質份額遠超人類可看到的物質

　　如果把２１世紀現代物理學和天文學比作“晴朗天空”，暗物質和暗能量則被看作“兩朵烏云”，兩者難以用現有理論解釋。

　　這不是物理學“天空”第一次出現“烏云”。

　　１９世紀末，以牛頓經典力學為基礎的經典物理學大廈被認為“已經建成”，僅需“修修補補”。但有兩個實驗結果與理論預測不相符的問題：黑體輻射和以太漂移，這“兩朵烏云”漂浮于當時的物理學“天空”中。

　　正是這“兩朵烏云”，催生了物理學在２０世紀初期的兩場革命：相對論和量子力學，兩者極大改變了人類對宇宙的認識。

　　舊云方散，新“云”又來。存在于物理學天空的“新烏云”至今仍橫亙在研究的“天空”。十多年前，美國國家研究理事會將“什么是暗物質”列為２１世紀與宇宙相關的重大前沿科學問題之首。

　　“暗物質這么被大家‘惦記’，因為它涉及宇宙產生和演化的一些最基本問題。”上海交通大學物理與天文系特別研究員劉江來說。

　　據悉，科學家曾嘗試用力學和光度兩種不同的方法測量整個宇宙的質量。令人驚訝的是，兩者結果差異巨大。就好像分別用度量準確的桿秤和電子秤稱量同一個蘋果，結果卻出現了數量級差異。換句話說，在現有的理論框架下，如果僅有肉眼可見的物質，是無法維持宇宙運行的。進一步說，如果沒有暗物質，星系早已分崩離析，四散奔逃。

　　中國“千人計劃”專家、上海交通大學鴻文講席教授季向東將暗物質比喻成宇宙中的“幽靈”。他說，迄今的研究和分析表明，暗物質在宇宙中所占的份額遠遠超過目前人類可以看到的物質。“我們通常所觀測到的普通物質只占宇宙質量的５％。”

　　但這個超出普通人認知的物質真的存在？或者能被探測？

　　季向東說：“暗物質跟普通物質幾乎不相互作用，所以探測它十分困難。”

　　而在劉江來看來，雖然尋找暗物質注定十分艱難，但不論找不找得到，都將顛覆人類對宇宙的認識，推動人類對物質世界的理解。因為如果找不到，便意味著人類關于引力的理解在很大程度上是有問題的，物理學和天文學理論就必須進行大的修正。

　　“從這個角度來說，對這片‘烏云’的認識，乃至捕捉，難道不可以幻化出２１世紀物理學的‘雨后彩虹’？”他說。

　　在黑暗的地底探尋星空的奧妙

　　在搜尋暗物質的道路上，目前主要有３種方法：一是利用粒子對撞產生暗物質觀察其衰變的產生實驗，主力設備是歐洲核子中心的大型強子對撞機。二是基于暗物質湮滅產生反物質的原理在太空進行的湮滅實驗。三是測量暗物質散射至液體或固體的散射實驗。目前中國錦屏地下實驗室的兩個實驗組均屬第三類。

　　存在于宇宙中的暗物質，為何要到地下探測？

　　劉江來把暗物質比作宇宙中的“霧霾”，地球則是在“霧霾”中行駛的汽車，“霧霾”中的顆粒撞擊汽車就會發(fā)出“響聲”，實驗探測器的任務就是把這種“響聲”記錄下來。

　　探測實驗的主要困難就是宇宙線以及地球上無處不在的放射性，要盡最大可能排除其對實驗本底的干擾。用劉江來的話說，就是“去掉‘汽車和周邊環(huán)境產生的各種聲音’”。

　　暗物質的“聲音”有多小？“就好像聽眾坐在第一排聽音樂會，還要聽清３０米外一只蚊子的嗡嗡聲。”劉江來比喻說。

　　錦屏地下實驗室對“濾聲”而言，條件得天獨厚。實驗室深度為全球同類實驗室中最深，上方２．４公里厚的巖石層可攔截大部分穿透力極強的宇宙射線，使其數量降至地面水平的億分之一。同時地下巖洞構成巖石主要是大理石，不存在多少輻射材料，且遠離會導致錯誤信號的輻射源。

　　２０１０年，這座實驗室投入使用，目前有兩個中國科學家牽頭的實驗組進駐，包括上海交通大學牽頭組織的ＰａｎｄａＸ實驗和清華大學主導的ＣＤＥＸ實驗。

　　“我們已接近發(fā)現暗物質的邊緣”

　　雅礱江，發(fā)源于巴顏喀拉山，之后一路向南，直到碰到海拔４２００米的錦屏山不得不改變流向，形成一個Ｕ形的大河彎。昔日為修建錦屏水電站，一條交通隧道連接Ｕ形大河彎的兩側，中國錦屏地下實驗室便在這隧道中部，上方是巍巍錦屏山。

　　乘坐急速電梯下行、穿過層層戒備、瞳孔識別門禁……和記者想象不同，實驗室不像美國大片中慣常的入門橋段，從交通隧道入口乘車１０分鐘左右，便到達實驗室入口。如果不是進入隧道前要進行安全檢查，很難讓人覺察到這里的特殊。

　　但很快，這個世界頂級的地下實驗室便開始展示出它的力量。記者隨ＰａｎｄａＸ實驗組進入實驗室，進門后換上防塵衣物，沒走幾步，手機信號隨即徹底消失。實驗室不大，走過十多米的走廊，便可看到各種管道、儀器和扶梯環(huán)繞的實驗核心裝置，好似一個層層包裹、白白胖胖的大膠囊。

　　據了解，ＰａｎｄａＸ采用液氙技術，即將氙氣制冷至零下１００攝氏度，當暗物質跟氙原子發(fā)生碰撞時，氙原子就會發(fā)光，同時也會產生自由電子。科學家的工作就是想辦法把這些微弱的光和幾個自由電子探測出來，同時確認這些信號不是由其他原因引起的。而之所以選用液氙這種介質，因為與元素周期表中其他元素相比，選用它能增加與暗物質粒子相撞的機會。

　　為盡可能祛除干擾，除實驗室上方的天然巖石層外，實驗核心裝置外還安裝了由銅、聚乙烯、鉛塊組成的多個屏蔽層，以此將實驗室中的中子、伽馬射線等阻擋在探測器外。

　　但即使是這樣層層設防，各種與暗物質無關的輻射物還會與探測器中的氙原子核發(fā)生每秒成百上千次碰撞，這些干擾信號要靠計算機來篩選。季向東說：“最終值得ＰａｎｄａＸ實驗裝置記錄的發(fā)光事件，大約每秒只有１次，每年就是３０００萬次左右。”

　　那每年３０００萬次發(fā)光事件，有多少是跟暗物質真正有關？季向東坦言：“很可能不到１次。”

　　盡管每前進一步都很艱難，但過去五年里，我國在暗物質暗能量研究領域依然取得了跨越式發(fā)展。

　　２０１４年，ＣＤＥＸ實驗組得到了目前該類探測器在國際上最靈敏的實驗結果，進一步縮小了暗物質可能存在的區(qū)域。ＰａｎｄａＸ實驗組也于同年公布了一期實驗獲得的首批數據，對以往國際上所有發(fā)現的疑似輕質量暗物質信號提出了質疑。

　　為把物理學“烏云”真變成“彩虹”，世界各國一直在“賽跑”。

　　暗物質的探測實驗已經在多個國家的地下實驗室中開展了近２０年，技術也日趨成熟。目前ＰａｎｄａＸ實驗二期擴建接近完成，核心區(qū)液氙規(guī)模進一步擴大。

　　季向東表示，隨著靈敏度的提升，中國人有望率先找到理論預言的暗物質粒子。

　　“我們已接近發(fā)現暗物質的邊緣，我們想要證明，世界前沿科學之首的問題，由中國人給出答案。”他說。（完）